基于虚拟仿真平台的电力特色工程管理实践教学模式探索

许传博 李金超 陈文君

(1. 华北电力大学经济与管理学院，北京 102206；2.新能源电力与低碳发展研究北京市重点实验室，北京 102206)

0 引言

虚拟仿真技术最早兴起于20世纪80年代的西方国家，通过利用计算机和传感器的虚拟环境，逼真地模拟出现实世界的事物和环境，使用者通过与虚拟环境进行交互操作，能产生身临其境的感觉[1-2]。目前，虚拟仿真技术在我国得到了广泛应用，早期主要集中在科研院所和企业，现阶段则逐渐在诸多高校中得到了推广。已有许多研究是基于虚拟仿真平台来探索人才培养与教学模式的。文献[3]提出了一种基于虚拟仿真平台的研究生课程教学改革方法，从精细化、真实化、可扩展化以及模块化四个方面对教学方式与教学过程进行改革。文献[4]基于本科生、研究生教学实验室一体化建设的发展规划，利用虚拟仿真平台的能源动力类本科生、研究生一体化实验教学与管理系统，实现了理论教学与实践教学一体化。文献[5]提出为应对摄影测量实践教学中存在的问题，采用虚拟仿真技术提出摄影测量实践教学模式的创新解决方案。文献[6]以开放场景图(Open Scene Graph，OSG)三维引擎为核心，设计并建成水电站施工计划与施工进度三维虚拟仿真平台，可在教学中形象地展示水电工程的施工计划与施工进度。

以上研究丰富了虚拟仿真平台在教学实践中的应用。然而，目前尚未发现有基于虚拟仿真平台的电力特色工程管理实践教学模式的探索研究。工程管理实践教学环节，尤其是电力工程管理，涉及电力工业发电、输电等多个环节，具有建设周期长、施工环境复杂、高电压、大电流、设备种类繁多等特点，易产生安全隐患，使师生不可避免地面临安全风险威胁。因此，为了逼真地再现电力工程管理各环节建设过程和运行状态，虚拟仿真是工程管理专业实践环节的重要手段。

1 电力工程管理虚拟仿真实践培养系统

1.1 信息化虚拟仿真平台的构建思路

信息化虚拟仿真平台的构建是通过引入无人机航天三维扫描成像系统、全站式建设工程激光3D扫描仪、多维信息DLP综合显示系统等先进虚拟仿真设备，利用局域互联网技术，有效整合虚拟现实、远程操控、数据库、三维可视化和物理模拟等虚拟仿真技术，实现网络数据通信和信息共享，见图1。无人机航天三维扫描成像系统结合飞行器技术、通信技术、GPS差分定位技术和摄影技术等诸多前沿智能技术，具有结构简单、操作便捷的特点，可以轻松获得目标工程的地理测绘信息，对能源设施建设、能源选址评估、能源设施建设监管都具有重要意义，也有利于对新能源电力工程全过程建设管理的教学和科研。全站式建设工程激光3D扫描仪能获取扫描对象表面的海量点云数据，还原扫描对象的细节特征。使用该设备能够实现工程现场实时3D模型扫描，对工程测量、建模、管理、能源电力工程分析等领域的实践教学有重要意义。用多维信息DLP综合显示系统可进行课堂演示及现场答疑，有效实现电力工程建设现场与实践教学的通连。

图1 信息化虚拟仿真平台的构建思路

1.2 电力工程管理人才实践培养系统

基于电力工程虚拟仿真平台(图2)建立人才实践培养系统，即利用无人机获取电力工程现场信息，并将素材实时传输回课堂；电力工程管理人才基于Agisoft PhotoScan等软件可自行完成电力工程现场场景的三维重构，生动、直观地学习电力工程建设过程、电力工程系统，打牢基本功；利用3D扫描仪实时扫描电力工程施工、安装等微观信息，并将点云数据和图像传输至课堂，教师利用RiSCAN PRO软件对点云数据进行可视化重建模，辅助学生理解电力工程建设内涵，创新实践思维；利用多维信息DLP综合显示系统清晰呈现电力工程建设宏微观信息，加深学生对电力工程建设过程的领会与把握。

图2 电力工程虚拟仿真平台

在传统的电力工程管理实践教学中，由于时间、经费和安全性等因素的限制，学生往往很难到电力工程现场进行实地勘探和数据采集，认识实习、生产实习常流于形式，毕业实习难以获得相应的技能；同时传统实践培养模式将实践过程划分成阶段，导致实践内容缺乏连续性，培养效果严重受损。将该培养系统投入实践教学，不必关注传统实践培养模式的阶段性，保障了实践培养过程的一致性，实现了一站式完成“认识-生产-毕业”实习的所有内容。电力工程管理人才对实践内容的理解和把握更为深刻，相应的实践培养周期也大幅缩短，培养效果与质量都得到了显著提升。

2 交互式电力工程过程可视化实操系统

2.1 电力工程管理人才实操训练培养系统

电力工程管理实操教学环境缺失造成特色人才难以获得实操训练中的基本能力及创新理念。构建基于BIM系统的实时交互式、过程可视化实操训练培养系统(图3)，将复杂的电力工程建设及运营过程数据化、模型化及可视化，辅助电力工程管理人才可以开展可视化电力工程建设设计、建造及运营全过程模拟训练，交互式完成包括工期优化、资源调配及设备安装等实操内容。该实操训练培养系统切实保证了实操的临场感，大幅提升了电力工程管理人才的实操和创新能力。

图3 电力工程管理人才实操训练培养系统

由于实体的电力工程建设时间跨度长、工程结构复杂，电力工程管理人才在短时间内无法对工程形成整体性概念且认知深度不够，基于BIM系统的交互式、过程可视化的实操训练培养系统成功解决了现实约束带来的时间限制和认知缺陷。通过调整时间参数可快进电力工程建设过程，便于师生高效跟踪体验电力工程建设项目的全过程，既有利于实操教学工作的完整实施，同时也可惠及更多学生。该系统提高了电力工程管理人才实操培养效果和质量。

2.2 全面的交互式电力工程管理人才实操教学

交互式电力工程管理人才实操培养系统依托电力工程管理软件和实体仿真模型(图4)，为电力工程管理人才提供大量的动手操作及实训分析的空间，培养学生的想象力及动手能力，提高学生的学习兴趣及实践能力，为特色人才提供能源电力建设前期策划、施工管理、造价管控相关问题的大量数据分析基础与实践基础，同时电力工程管理的学生通过系统的学习与训练，毕业后可大大缩短与电力工程相关岗位的适应期。

图4 电力工程实体仿真模型

2.2.1 电力工程建设施工现场组织实操训练

基于BIM系统，结合电力工程建设特点，培养学生对施工现场实物，如围墙、道路、基坑、建筑楼体、脚手架、护栏、建筑机械、材料等构件三维造型的快速布置能力。同时系统拥有丰富的图库，能够与3DS文件、DWG文件、PKPM软件系列文件等无缝对接，方便学生获得从任意方位展现施工现场的三维实景图。由此，电力工程管理人才可实现对电力工程建设施工准备阶段整体的深刻认知与把握，使其身临其境，融入电力工程建设施工现场环境中，保障高效率、生动具象地完成电力工程建设施工准备阶段的实操训练，避免传统实操训练的纸上谈兵、枯燥乏味的描述教学现象。

2.2.2 电力工程建设管理实操训练

基于电力工程管理人才实操训练培养系统，通过自主设定电力工程建设场景及基础模板，对电力工程项目管理工序进行系统化的内容拓展，并开展有序的分组及管理程序制定，实现项目逐级细化管理。同时进行电力工程项目建设进度偏差分析，实现工程进度动态跟踪与实际进度调整；开展项目质量分析与风险分析，实现全方位的过程控制仿真与偏差分析。由此，通过将工程建设信息模型与工程进度、质量及风险控制计划有机结合，如图5所示，实现施工现场实际实施情况的三维动态展示，助力学生快速、方便且有效地交互式完成施工目标控制计划的制订训练，大力提升电力工程管理人才对电力工程建设管理的理解和实操能力。

图5 电力工程建设进度管理实操训练

2.2.3 电力工程施工技术实操训练

基于BIM系统、电力工程实物模型、电力工程施工设计图等资源，电力工程管理人才可开展并完成电力工程施工模板设计、脚手架专业设计、塔吊基础设计、结构计算工具箱等实训内容，实现系统化的电力工程施工管理实操。通过对电力工程施工特点、施工流程、施工内容体系及施工工器具基本使用原理的介绍与讲解，可全方位助力电力工程管理人才对电力工程施工基本技能的掌握、基本器具的了解、基本施工规范的熟悉、基本工艺的学习。通过学生实训、动手练习，利用固有模具的辨识、结构分析、拆装处理、反馈总结训练，可帮助学生有效提升动手能力与分析能力，从而完成全面的电力工程施工管理训练。

2.2.4 电力工程造价编制实操训练

利用电力工程管理人才实操训练培养系统，搭建全方位的电力工程造价管理实操训练模块。基于工程量统计分析模块，电力工程管理人才可模拟演练电力工程项目工程量的快速统计与分析，实现建筑、结构、基础模型的有效运用；利用工程造价管理集成分析模块，可培养学生对电力工程造价管控的有效分析，包括造价偏差的分析、费用构成的分析、外部因素的影响分析、造价指数的变化分析、造价管控的关键环节分析等；利用导入的大量电力工程造价基础数据及工程参数信息，可培养学生进行具体工程投资估算、初步设计概算、施工图预算的操作能力，见图6。同时，在工程建设定额标准研究制定、工程造价管控关键技术研究及应用、工程造价分析、项目评审、后评估、投资预测分析等多个方面提供实操训练，并提供充足的数据分析基础及实践分析平台，保证了电力工程管理人才实操训练的真实性和严谨性。

图6 电力工程造价管控案例实操训练

3 远程协同培养系统

电力工程管理具有技术密集特性，同时涉及能源市场、运输市场、生产市场、价格市场、金融市场、用户市场等多个重要领域。因此，电力工程管理人才的培养更需要注重技术知识背景、经济理论知识、生产管理技能等综合知识体系的构建。所以，电力工程管理人才培养的实践教学更应该强调与生产经营一线对接，与现实管理工作需求相匹配。

3.1 “时间-空间”覆盖型电力工程管理人才远程协同培养系统

构建远程协同培养系统有效解决传统高校教学资源受限的问题，通过网络数据传输将全国多地域的电力工程建设及运营现场鲜活地展现在电力工程管理教学课堂中，丰富了电力工程管理教学资源，见图7。同时该系统突破了时间瓶颈，具体表现为：一是将电力工程建设及运营的前沿技术引入教学课堂，保证了教学资源的先进性和新颖性；二是前沿技术向教学课堂的转化实现了无缝转换，消除了原先转化过程的延时和低效。由此形成“时间-空间”覆盖型电力工程管理人才远程协同培养系统，实现了高校与企业之间的信息流动，有效避免了理论知识培养的滞后性。

图7 电力工程建设及运营现场前沿技术展示

3.2 电力工程管理人才联动培养模式

高校作为连接社会、企业与人才的平台受到了广泛的关注。电力工程管理人才联动培养模式的构建既符合现实需要，又能有力应对上述挑战。高校与合作企业通过人才交流，一方面，可定期组织召开专题讲座、学术汇报、专家研讨会等活动，全方位、持续把握最新产业理论及技术更新信息；另一方面，企业通过为高校提供项目、岗位等支持，协同助力电力工程管理人才了解企业的运营机制与岗位需求。通过电力工程管理人才参加生产过程的经验与企业的需求反馈，可以动态、准确地识别当前电力工程管理人才培养的缺口与短板，及时调整并完善培养方案，构建电力工程管理人才联动培养模式，实现企业人才需求与高校人才培养的有效对接，培养符合社会需求、具有前沿意识与技能以及创新能力的复合型电力工程管理人才，大幅提升电力工程管理人才的竞争实力。

4 结语

本文构建的基于虚拟仿真平台的电力特色工程管理实践教学模式是在国家大力推行创新驱动发展战略、强调优化高校人才培养机制的契机下，从人才培养规律出发，根据新时期国家、社会和电力行业发展对电力工程管理人才的需求，通过建立虚拟仿真实践培养系统、交互式可视化实操系统、远程协同培养系统，对电力工程管理实践教学模式进行的系统性改革。本文提出的模式在提高时间培养效率的同时，打破了传统的“认识-生产-毕业”实践三阶段模式，降低了实践培养成本，创新性地解决了高校实践效果不佳的问题。